JP4531751B2 - 同期機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石モータやリラクタンスモータなどの同期機の制御装置に関するものである。

永久磁石モータやリラクタンスモータなどの同期機の制御においては、従来は回転子に対して一定の位相方向に電機子電流ベクトルが向くように制御してきた。例えば、従来の永久磁石モータでは、電機子電流ベクトルを回転子の永久磁石磁束軸と直交する方向に制御し、所望のトルクに比例して電機子電流ベクトルの絶対値を制御する。
一方、近年、回転子の突極性により発生するリラクタンストルクを利用する同期機の適用が進んでいるが、これらのモータでは、電機子電流ベクトルの絶対値と発生トルクとが比例しないことが知られており、この場合、従来の制御方式では高精度なトルク制御が難しい。また、永久磁石モータの回転速度が上昇すると、永久磁石磁束による誘起電圧のため電機子電圧が上昇して制御装置の出力可能電圧を超えるため、これを防ぐため永久磁石磁束軸方向に負の電機子電流ベクトル（弱め電流）を発生させて電機子鎖交磁束を小さくする弱め磁束制御が行われるが、弱め電流が同じでも発生トルクが異なると電機子電圧は変化するため、変動するトルクに対して電機子電圧を所望の値に制御することは、従来の制御方式は困難であった。

このような課題を解決する手段としては、例えば、特許文献１に記載された技術が開示されている。特許文献１に開示された技術は、同期機が所望のトルクと電機子電圧を発生するような電機子鎖交磁束指令とそれに直交する電機子電流（トルク電流）指令を生成する一方、電機子電流より磁束演算を行って求められる電機子鎖交磁束が前記磁束指令と一致するように磁束軸方向の電流（磁化電流）指令を決定した後、トルク電流指令と磁化電流指令から回転子ｄｑ軸方向の電流指令を生成するものである。

特開平１０−２４３６９９号公報（段落００３８〜００４０、第１図、第３図）

従来の同期機制御装置は、トルク指令と回転速度とから磁束指令を算出する。そして、磁束指令の上限は、回転速度で電力変換器の最大出力電圧を除した値で決定されるが、モータ端子電圧がこの最大出力電圧に達しない場合は、トルク指令に対して所望のモータ性能が最大となるような最適な磁束指令を与える必要がある。ここで所望のモータ性能とは、例えば、トルク／電機子電流比、あるいはトルク／消費電力比のことを指す。従来の同期機制御装置では、このトルク指令と磁束指令から、トルク電流指令と磁化電流指令を算出する。
ところで、電力変換器には出力可能な最大出力電流が存在し、トルク電流指令と磁化電流指令との合成電流はこの最大出力電流を超えないように制限する必要がある。従来の同期機制御装置においては、磁束指令はトルク指令と回転速度とから決定されるので、この電流制限を考慮しながら、上記の最適な磁束指令を求めることができないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものである。即ち、この発明は、電力変換器の出力電流の制限を考慮しながら、所望の指令トルクに出来るだけ近いトルクを発生することが出来るような、同期機制御装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る同期機制御装置は、トルク指令から電機子電流指令を発生し該電機子電流指令に基づき電力変換器により同期機の電機子電流を制御する同期機制御装置であって、
トルク指令と磁束指令とから電機子電流指令のトルク成分であるトルク電流指令を演算するトルク電流演算器と電機子電流が電力変換器の電流制限値を越えないよう電機子電流指令の磁化成分である磁化電流指令と上記電流制限値とに基づき発生可能なトルク電流指令最大値を発生するトルク電流制限発生器と上記トルク電流指令最大値に基づきトルク電流指令に制限を加えるリミッタとからなるトルク電流指令発生器、このトルク電流指令発生器からのトルク電流指令に基づき磁束指令を演算する磁束指令発生器、同期機の電機子電流または電機子電流および電機子電圧に基づき電機子鎖交磁束を演算する磁束演算器、および磁束指令と上記電機子鎖交磁束とが一致するように磁化電流指令を作成してトルク電流指令発生器に入力する磁束制御器を備えたものである。

この発明によれば、トルク電流指令は、磁束指令と磁化電流指令とを参照しながら算出されるので、電力変換器の出力電流の制限を考慮することが出来、また、磁束指令はトルク電流指令を参照しながら算出されるので、上記の出力電流制限によるトルク電流指令の変動を反映した最適なものとすることが出来る。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における同期機制御装置を示す構成図である。同期機１は、電力変換器である三相ドライブ回路２に電機子巻線が接続されて駆動されており、電機子巻線の電流は電流センサ３によって検出される。また、同期機１の回転子位相（電気角）θは、回転子位置センサ４によって検出されている。
磁束演算器５は、図６、７で後述するように、例えば、三相電機子電流帰還値iu,iv,iwと三相電圧指令vu*,vv*,vw*（但し、図では、vu,vv,vwと略記している）とから電機子鎖交磁束の絶対値|Φ|および位相∠Φを算出する。

電機子電流の制御は、電機子鎖交磁束位相∠Φの方向（γ軸）およびその直交方向（δ軸）の２軸上で行われるため、電機子電流帰還値iu,iv,iwは、座標変換器７によりγδ軸上の電流iγ-,iδ-に変換されるが、この時、γ軸電流が電機子電流の磁化成分である磁化電流に、δ軸電流が電機子電流のトルク成分であるトルク電流にそれぞれ相当する。
電機子電流制御器６は、電機子電流iγ-,iδ-をγδ軸上での所望の電機子電流指令iγ*,iδ*に一致させるように電流制御演算を行い、γδ軸上の電圧指令vγ,vδを出力する。そして、この電圧指令vγ,vδは、座標変換器８により三相電圧指令vu*,vv*,vw*に変換され、三相ドライブ回路２に出力される。

一方、トルク電流指令発生器９は、与えられたトルク指令τ*よりγ軸電流（磁化電流）指令iγ*、磁束指令Φ*を参照しながらδ軸電流（トルク電流）指令iδ*を算出する。
磁束指令発生器１０は、δ軸電流指令iδ*から、回転子位相θを微分器１１で微分して求めた回転速度ωを参照しながら、磁束指令Φ*を算出する。また、加算器１２は、磁束演算器５より出力された電機子鎖交磁束の絶対値|Φ|を磁束指令Φ*から減じて磁束誤差を算出し、磁束制御器１３は、この磁束誤差が０になるようにγ軸電流指令iγ*を調節する。

図２は、トルク電流指令発生器９の内部構成を示す。図１に示す制御系では、電機子鎖交磁束とγ軸とが一致するように制御は行われるため、同期機１の発生するトルクτとδ軸電流iδとの間には（１）式の関係がある。但し、ppは同期機１の極対数である。

磁束制御が良好に行われていれば、磁束絶対値|Φ|と磁束指令Φ*とは一致しているので、トルク電流演算器１５は、（１）式の|Φ|を磁束指令Φ*に置き換えた式により、δ軸電流指令中間値iδ**を算出する。トルク電流制限発生器１４は、γ軸電流指令iγ*および電流制限値imaxを用いて、（２）式に従いδ軸電流指令最大値iδ*maxを算出する。

リミッタ１６は、δ軸電流指令中間値iδ**をδ軸電流指令最大値iδ*maxにより制限してδ軸電流指令iδ*を出力する。

図３は、磁束指令発生器１０の内部構成を示す。最適磁束指令演算器１７は、入力されたδ軸電流指令iδ*に最適な磁束指令を出力するが、その概念について図４、５を参照して以下に説明する。
永久磁石モータ（IPMモータのようにリラクタンストルクを利用するものを含む）やリラクタンスモータにおいては、図４に示すように、絶対値一定の電流ベクトルの回転子ｄ軸からの位相ρを変化させると、同図（ｂ）に示すように、トルクが最大となる位相が存在する。
ここで、ｄ軸は、永久磁石モータの回転子では永久磁石磁束軸が相当し、これに直交する軸がｑ軸に相当する。

例えば、ＩＰＭモータのように、ｄ軸よりｑ軸のインダクタンスが大きい逆突極性のモータの場合には、図４に示すように、電流ベクトルの位相が９０°より大きいある角度でトルクが最大になる。なお、鉄心の磁気飽和がなければ、この最適な電流位相ρは、電機子電流の大きさに拘わらず一定であるが、実際のモータでは、磁気飽和によりインダクタンスが変化するので、リラクタンストルクの影響により、最適電流位相ρは、電機子電流の大きさにより変化する。
例えば、通常のＩＰＭモータの場合、電機子電流が小さい状態では磁気飽和が無いので、位相ρは９０°より大きく（例えば１１０°程度）にした方がトルクが大きくなるが、電機子電流が大きくなると、主に電流が流れているｑ軸方向に磁気飽和が発生し、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスとの差が小さくなり、このため位相ρを小さく（例えば１００°程度に）した方が、トルクが大きくなる。

ここで、この最適電流位相状態での、電機子電流と磁束の関係について検討してみる。図４（ｂ）のトルク最大状態でのモータのベクトル図を図５に示すが、電機子鎖交磁束Φは、電流ベクトルiにより生じる電機子反作用磁束Φaと永久磁石磁束Φmとの合成で表され、この電機子鎖交磁束Φに直交する方向をδ軸とすれば、電流ベクトルiのδ軸方向成分がδ軸電流iδである。
従って、電機子電流絶対値とこの絶対値より決まる最適電流位相ρからなる電流ベクトルiが決まれば、δ軸電流iδおよび電機子鎖交磁束Φの絶対値が一意に決定されることになる。このことから、トルク最大条件においては、δ軸電流iδと磁束絶対値|Φ|との間に一対一の関係が成り立つことが理解できる。なお、以上の磁束絶対値|Φ|の決定は電圧の制限に考慮されずに行われることに注意すべきである。

図３に戻り、最適磁束指令演算器１７は、このδ軸電流iδと磁束絶対値|Φ|の関係を数式やテーブルデータの形で格納しており、入力されたδ軸電流指令iδ*に従い最適な磁束絶対値である最適磁束指令Φ**を出力する。なお上記の説明では、発生トルクが最大となるようにδ軸電流指令iδ*と最適磁束指令Φ**とを関係付けたが、運転目的に応じて、例えば、効率最大という目標でもよく、一般に所望の性能が最大となるようなδ軸電流指令iδ*と最適磁束指令Φ**との関係付けを行えば、その目的に応じた運転特性を得ることが出来る。
なお、例えば、効率最大となるようなδ軸電流指令iδ*と最適磁束指令Φ**との関係付けを行う場合は、鉄損の影響を考慮するためにモータ回転数を要因として参照し、モータ回転数が上昇すると最適磁束指令Φ**を下げるような調整を行えば、より特性を向上させることも可能である。

磁束制限発生器１８は、電力変換器（三相ドライブ回路）が出力可能な電圧を基に、モータ回転速度ω（同ブロック内制限特性図の横軸）に応じた磁束指令最大値をΦ*max（同特性図の縦軸）を算出する。リミッタ１９は、最適磁束指令演算器１７からの最適磁束指令Φ**を磁束指令最大値Φ*maxにより制限して磁束指令Φ*を出力する。

なお、図１の構成においては、トルク電流指令発生器９と磁束指令発生器１０との間で計算が循環的になるという問題がある。即ち、図１の構成でそのまま信号の処理をすると、トルク指令τ*→（トルク電流指令発生器９）→トルク電流指令iδ*→（磁束指令発生器１０）→磁束指令Φ*→（トルク電流指令発生器９）→トルク電流指令iδ*‥、というループが出来ており、入力されたトルク指令τ*に対してトルク電流指令iδ*および磁束指令Φ*を確定するには、トルク電流指令発生器９および磁束指令発生器１０の演算を繰り返し行い収束させる必要があり、一般に大きな演算時間が必要になる。あるいは、条件によっては演算が収束しないという問題が出てくる可能性がある。

しかし、若干の演算精度の低下を許容すれば、例えば、以下に示す対策を施すことで上記問題は回避できる。即ち、実際の装置で上記処理をマイコンを用いて所定の演算周期で処理する際に、例えば、トルク電流指令発生器９が使用する磁束指令Φ*に前回の演算結果を用い、この指令値を用いて計算したδ軸電流指令iδ*によって磁束指令発生器１０が今回の磁束指令Φ*を算出する方法で考えられる。また、磁束指令発生器１０において、磁束指令Φ*の値を適切なフィルタを通して出力することで、演算処理の安定性を高めるようにすることが出来る。

また、図１〜３の説明では、トルク電流指令発生器９での演算に磁束指令Φ*およびγ軸電流指令iγ*を用いているが、替わりに、実際値である磁束絶対値|Φ|およびγ軸電流帰還値iγ-を用いてもよい。また、磁束指令発生器１０での演算にδ軸電流指令iδ*を用いているが、替わりに、実際値であるδ軸電流帰還値iδ-を用いてもよい。これらの変更により、制御演算が、実際値が含むノイズの影響を受けやすくなるものの、上記の演算が循環的になるという問題を回避することが出来る。

次に、図６に、磁束演算器５の内部の構造の一例を示す。図６において、座標変換器２０は、三相電機子電流iu,iv,iwを、回転子位相θを用いて回転子軸上のｄｑ座標電流id,iqに変換する。電流型磁束演算器２１では、ｄｑ軸電流id,iqより電機子鎖交磁束Φの絶対値|Φ|と同磁束のｄ軸からの位相Δθとを求める。
永久磁石モータにおいては、電流と磁束の間に（３）式に示す関係が成立する。

但し、φdはｄ軸磁束、φqはｑ軸磁束、Ldはｄ軸インダクタンス、Lqはｑ軸インダクタンス、φmは永久磁石磁束である。なお、リラクタンスモータでは、φm=0とした（３）式が成立する。ｄｑ軸磁束φd,φqより、電機子鎖交磁束の絶対値|Φ|および同磁束のｄ軸からの位相Δθは（４）式で求められる。

加算器２２は、回転子位相θと電機子鎖交磁束Φのｄ軸からの位相Δθとを加算して、電機子鎖交磁束Φの位相∠Φを求める。なお、ｄｑ軸インダクタンスは磁気飽和のためにｄｑ軸電流により値が変化することが知られているが、予めｄｑ軸電流とｄｑ軸インダクタンスとの関係を数式あるいはテーブルの形で記憶しておき、ｄｑ軸電流に応じて（３）式に用いるｄｑ軸インダクタンスの値を変化させることにより、インダクタンス変動による磁束推定の誤差を低減することができる。

図７は、磁束演算器５の、図６とは異なる例を示したものである。図７において、座標変換器２０は図６と同様であり、座標変換器２３は、電機子の三相電圧vu,vv,vwを、回転子位相θを用いて回転子軸上のｄｑ座標電圧vd,vqに変換する。微分器２５は回転子位相θを微分して、回転子の電気角速度ωを求める。
電圧型磁束演算器２４では、ｄｑ軸電圧vd,vqおよびｄｑ軸電流id,iqより、電機子鎖交磁束Φの絶対値|Φ|と同磁束のｄ軸からの位相Δθとを求める。永久磁石モータにおいては、電流、電圧と磁束との間に（５）式に示す関係が成立する。

但し、Rは電機子抵抗、sは微分演算子である。なお（５）式において、電流の変化が緩やかである場合には微分演算子sを含む項は無視してもよく、この場合（５）式は以下の（６）式のように変形される。

更に、電機子抵抗Rがその他の項に比較して小さい場合には、これを含む項を無視してもよい。
一方、電機子抵抗Rは、同期機１の温度によって変化するので、同期機１の温度を検出して電機子抵抗Rの値を補正すれば、磁束推定の精度を向上させることが出来る。（５）式または（６）式により求められたｄｑ軸磁束φd,φqより、図６の場合と同様に、電機子鎖交磁束の絶対値|Φ|および同磁束の位相∠Φを求めることができる。
なお、図１において、磁束演算器５は、電機子電流には帰還値を、電機子電圧には指令値を入力して演算に使用しているが、逆に、前者に指令値を、後者に帰還値を使用してもよく、また、双方に指令値か帰還値かのいずれかを使用するようにしてもよい。

なお、上記のような電圧より磁束の絶対値と位相を求める計算は、回転子位相θを用いずに行うようにしてもよい。具体的には、三相電圧vu,vv,vwより三相電流iu,iv,iwによる抵抗電圧降下分を減じた値を極座標変換して、その絶対値を回転子電気角速度ωで除したものを電機子鎖交磁束絶対値|Φ|、その位相から９０°を減じた（ω＞０の場合）あるいは９０°を加えた（ω＜０の場合）ものを電機子鎖交磁束位相∠Φとすればよく、この方法は計算が簡便になるという利点がある。

図６に示すような電流型磁束演算器を持つ磁束演算器は、回転速度にかかわらず磁束の推定が可能であるが、（３）式に示すように磁束演算にインダクタンス値を使用するので、飽和等によるモータ特性の変動の影響を受けやすい。一方、図７に示すような電圧型磁束演算器を持つ磁束演算器で、（６）式で演算するものでは、インダクタンス値を用いないのでモータ特性の変動の影響を受けにくいが、回転速度が小さく電機子電圧が低い場合には、推定精度が低下することがある。これらの問題を解決する方法として、電流型磁束演算器と電圧型磁束演算器とを併用して、回転速度が小さい領域では電流型を主に使用し、回転速度が上昇すると電圧型を主に使用するように、磁束演算器を切り替える、あるいは回転速度を参照した重み付けを行いながら二つの磁束演算器の出力を平均化するなどの方法を用いることも出来る。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２における同期機制御装置を示す構成図である。本形態は、三相ドライブ回路２の直流電源電圧が可変である場合の構成を示しており、１〜９および１１〜１３は実施の形態１のものと同様である。

ここで、三相ドライブ回路２の直流電源電圧を可変とする利点等について説明する。
一般に、電力変換器であるインバータの直流電源電圧は、使用する電源（バッテリーあるいは交流電源）により決定される。一方、永久磁石モータは、回転数に概ね比例した誘起電圧を発生するので、モータ電圧をインバータの上限以下に制限しながら回転数を大きくするには、永久磁石磁束を打ち消すような弱め電流を電機子に流して、弱め磁束運転を行う必要がある。
この弱め電流は、トルクの発生に寄与しない無効電流であるため、弱め磁束運転が必要な領域では永久磁石モータの効率は著しく低下する。また、インバータの最大電流が制限されているので、弱め電流の分だけトルク発生に使用できる電流が減少し、トルクが低下する。

これに対して、ＤＣ−ＤＣコンバータなどにより直流電源電圧を可変として直流電源電圧を高くすることが出来れば、上記の弱め磁束運転を行う必要のある回転数上限を高めることが出来、より高い回転数まで高効率・大トルクで運転することが可能になる。
一方、ＤＣ−ＤＣコンパータはそれ自体が損失を発生し、−般にインバータのスイッチング損失は直流電源電圧が高いほど大きくなるので、回転数が低く弱め磁束運転の必要がない運転領域では、直流電源電圧を高くしない方がシステム全体として効率が良くなる。従って、直流電源電圧を必要に応じて可変にする方式には、以上のような利点がある。

図８に戻り、磁束指令発生器１０ａが発生する直流電圧指令vdc*により、可変電圧電源２６は三相ドライブ回路２に供給する直流電源電圧を操作する。可変電圧電源２６の出力電圧範囲には制限があり、また三相ドライブ回路２が出力する電力等により、実際に可変電圧電源２６が出力する直流電圧である直流電圧帰還値vdc-は、直流電圧指令vdc*とは一致しない場合がある。磁束指令発生器１０ａは、直流電圧帰還値vdc-と回転速度ωを参照しながら磁束指令Φ*を決定する。

図９は、磁束指令発生器１０ａの内部構成を示したものである。δ軸電流指令iδ*より最適磁束指令演算器１７は、図３同様に電圧の制限を考慮しない最適磁束指令Φ**を出力する。乗算器２７は、最適磁束指令Φ**に回転速度（帰還値）ωを乗算して、最適磁束指令Φ**を発生するのに必要な電圧を算出する。加算器３０は、この電圧に制御余裕および抵抗電圧降下分電圧である電圧余裕Δvdcを加算し、直流電圧指令vdc*を算出して出力する。
一方、可変電圧電源２６からフィードバックされた実際の直流電圧帰還値vdc-より、加算器３１により制御余裕および抵抗電圧降下分電圧である電圧余裕Δvdcを減算して磁束分電圧を求め、これを除算器２８において回転速度ωにより除算して発生可能な磁束指令最大値Φ*maxが算出される。リミッタ２９は、最適磁束指令Φ**を磁束指令最大値Φ*maxにより制限し、最終的な磁束指令Φ*が算出される。

従って、可変電圧電源２６が、直流電圧帰還値vdc-を直流電圧指令vdc*に確実に追従させる制御が実現している条件下では、最適磁束指令演算器１７で求められた、トルクを最大とする最適磁束指令Φ**を補償するための直流電圧指令vdc*に一致する直流電圧帰還値vdc-が供給されることになり、従って、その場合、リミッタ２９は実質的に磁束制限動作はせず、最適磁束指令Φ**がそのまま磁束指令Φ*として出力されることになる。

なお、図８の構成では、磁束指令発生器１０ａは、直流電圧指令vdc*を出力しながら直流電圧帰還値vdc-を参照して磁束指令を決定するが、直流電源電圧の変動に対応するという目的であれば、直流電圧指令vdc*を出力することなく直流電圧帰還値vdc-を参照して磁束指令を決定するようにすればよいことは明らかであり、所望の効果が得られる。
また、直流電源電圧が直流電圧指令vdc*のとおりに追従すると考えられる場合は、直流電圧帰還値vdc-を参照する必要は無く、直流電圧帰還値vdc-の替わりに直流電圧指令vdc*を用いるようにすればよいことは自明である。この場合、直流電源電圧の電圧出力範囲には制限があるため、磁束指令発生器１０ａ内で直流電圧指令vdc*にリミットを加える必要がある。

なお、図９の磁束指令発生器１０ａの構成では、電圧余裕Δvdcの算出に電機子電流を参照していないが、電源利用率がより向上するように、電機子電流を参照して電圧余裕Δvdcを算出することも可能であることは言うまでもない。

実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３を示すものである。
先の実施の形態１のトルク電流指令発生器９では、上位系から与えられるトルク指令τ*は、その値をそのまま使用するものとした。
しかし、同期機１のインダクタンスが大きい場合、電機子鎖交磁束φを磁束指令Φ*に一致させるにはトルク指令τ*を制限する必要が生じることがある。図１０は、このトルク制限が必要な場合のトルク電流指令発生器９の内部構成を示す図である。図において、トルク制限発生器３２は、磁束指令Φ*を参照して、その磁束で発生しうる最大トルクτ*maxを出力し、リミッタ３３はこの最大トルクτ*maxにより元のトルク指令τ*を制限して制限後のトルク指令τ*を出力する。トルク電流制限発生器１４、トルク電流演算器１５およびリミッタ１６は、この制限後のトルク指令τ*を用いて、図２と同様な処理によりδ軸電流指令iδ*を算出する。

ここで、トルク制限発生器３２の演算例について説明する。同期機が非突極の永久磁石モータの場合、モータの発生するトルクは次式で示すことが出来る。

一方、モータの電機子鎖交磁束φの大きさは、次式で表すことが出来る。但し、Ｌは、モータのインダクタンスであり、非突極の場合はｄｑ軸で同じ値である。

ここで、（８）式平方根内の第一項は、ｄ軸電流ｉｄを負の値とすることにより０にすることが可能であるが、第二項は、ｑ軸電流ｉｑの大きさにより決定される。即ち、電機子鎖交磁束φを所望の値φ*にしようとする場合、ｑ軸電流ｉｑは次式を満たす値である必要がある。

（７）式に（９）式を代入し、整理して次式を得る。

以上の説明より、非突極の永久磁石モータの場合は、トルク制限発生器３２は（１０）式を用いて最大トルクτ*maxを算出すればよいことがわかる。また、モータが、インダクタンスが負荷により変化する飽和特性を持つ場合や、モータの突極性の影響を加味する場合は、上記のような式の形ではなくテーブルの形で磁束指令φ*と最大トルクτ*maxの関係を記憶しておいてもよいことは勿論である。

実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４を示すものである。
先の実施の形態１の磁束指令発生器１０では、その最適磁束指令演算器１７が、電機子電流絶対値一定でトルクを最大とする条件下で決定されるトルク電流と電機子鎖交磁束との関係に基づき磁束指令を演算するようにした場合について説明した。
しかし、同期機１の運転特性が予め分からない場合や、解析で得られた特性が実機の特性と異なる場合には、同期機1の所望の性能が最大となるようなδ軸電流指令ｉδ*と最適磁束指令Φ**の関連付けを学習的に生成または調整する必要が生じることがある。
図１１は、このδ軸電流指令ｉδ*と最適磁束指令Φ**の生成を学習的に行う必要がある場合の最適磁束指令演算器１７の内部構成を示す図である。

初期磁束指令演算器３４は、δ軸電流指令ｉδ*に対する初期の最適磁束指令の絶対値|Φ**_init|との関係を数式やテーブルデータでの形で格納しており、入力されたδ軸電流指令ｉδ*に対して初期の最適磁束指令Φ**_initを出力する。ここで、初期の最適磁束指令Φ**_initは、δ軸電流指令ｉδ*に対して出力可能な磁束指令の出力範囲内を取ればよく、最適な磁束指令Φ**が予め分からない場合でも同期機１の代表的なモータ特性から大まかな初期値を与えることが可能である。
磁束指令調節器３５は、入力された初期最適磁束指令Φ**_initに対して上位から磁束調節指令Ｓ_adjが入っている場合は、磁束指令Φ*_adjを所望の性能が最大となるように調節し、調節した磁束指令Φ*_adjを最適磁束指令器１７の指令Φ**として出力すると共に、入力されたトルク電流指令ｉδ*に対応する磁束指令値Φ**_initの更新データとして初期磁束指令発生器３４の数式やテーブルデータを更新する。
上位から磁束調節指令Ｓ_adj がない場合は、磁束指令調節器３５は動作せず初期磁束指令発生器３４の出力Φ**_initがそのまま最適磁束指令Φ**となる。

図１２に、所望の性能がトルクを最大とする条件の場合の磁束指令調節器３５の動作をフローチャートにて示す。
先ず、上位指令系から磁束調節指令Ｓ_adj が入っているかどうかを判断する(ステップＳ１)。ここで、磁束調節指令Ｓ_adj は同期機１を定トルクかつ定出力かつ三相ドライブ回路２の電圧出力制限がかかっていない条件で運転している場合にのみＯＮになるものとする。磁束調節指令Ｓ_adj がＯＮの場合は、磁束指令Φ*_adjを調節し、ＯＦＦの場合は、ステップＳ１０に分岐して初期最適磁束指令Φ**_initを出力する。

次に、調節する磁束指令Φ*_adjを出力可能な磁束指令値の最小値Φ**_minで初期化・固定する(ステップＳ２)。この時、トルク指令τ*は一定で運転しているため、トルク電流指令ｉδ*は、（１）式からトルク指令τ*を磁束指令Φ**_minで除した値となる。磁束指令Φ*_adjが更新された後、トルク電流ｉδおよび磁束絶対値|Φ|がそれぞれの指令値ｉδ*_ adj , Φ*_ adj に収束するまで待機する(ステップＳ３)。

トルク電流ｉδおよび磁束絶対値|Φ|が指令値に収束後、電機子電流の絶対値ｉａを電機子電流iu,iv,iwから求める(ステップＳ４)。さらに、絶対値iaを電機子電流最小値ia_minと比較する(ステップＳ５)。絶対値iaが、電機子電流最小値ia_min と比較して小さい場合、この時のトルク電流指令ｉδ*_ adj および磁束指令Φ*_ adj をトルク最大条件を満たすトルク電流指令ｉδ*と磁束指令Φ*の組(ｉδ*_ opt ,Φ*_ opt )として保存する。また、電機子電流最小値ia_min を電機子電流絶対値iaで更新する(ステップＳ６)。

次に、ステップＳ２で固定した磁束指令Φ*_adjをΔΦだけ増分して更新・固定する(ステップＳ７)。そして、この磁束指令が出力可能な磁束指令Φ**_maxを超えない場合は、再び、ステップＳ３〜ステップＳ７を繰り返す(ステップＳ８)。
上記の動作を繰り返すと、一定のトルク指令τ*に対して磁束指令Φ*_ adj を最小値Φ**_minから最大値Φ**_maxまで振った時に電機子電流iaが最小となる(ｉδ*_ adj , Φ*_ adj )、つまりトルク最大条件を満たすトルク電流と磁束のペアが(ｉδ*_ opt ,Φ*_ opt )に格納される。

最後に、上記の(ｉδ*_ opt ,Φ*_ opt )を使用し、初期磁束指令発生器３４の数式またはテーブルデータを更新する(ステップＳ９)。初期磁束指令発生器３４の数式またはテーブルデータの更新後は、磁束指令調整器３５の磁束指令Φ*_ adjの固定を解除し、トルク電流指令ｉδ*に対して更新後の(初期)磁束指令発生器３４の磁束指令Φ**_initを最適磁束指令Φ**として出力する(ステップＳ１０)。

また、図１２のフローチャートにおいては、磁束指令調整器３５の磁束指令Φ*_ adjを最小値から最大値までΔΦの分解能で動かして電機子電流iaが最小となる磁束指令を求めているが、これを電機子電流が最小となる点を収束的に求めることで、演算時間を短縮することもできる。
図１３に上記(ｉδ*_ opt ,Φ*_ opt )を収束的に求める場合の磁束指令調節器３５の動作をフローチャートにて示す。

図１３において、先ず、図１２と同様に、上位指令系から磁束調節指令が入っているかどうかを判断し(ステップＳ１)、ＯＮの場合は磁束指令を調節し、ＯＦＦの場合はステップＳ９に分岐して初期最適磁束指令Φ**_initをそのまま出力するものとする。
次に、磁束指令Φ*_adjを現在の磁束指令Φ**_initで固定する(ステップＳ２)。その後、磁束|Φ|およびトルク電流ｉδが指令値に収束するまで待機する(ステップＳ３)。
次に、この時の電機子電流絶対値iaを測定した(ステップＳ４)後に、次回の磁束指令と今回の磁束指令との差である磁束指令ステップ幅ΔΦを演算する(ステップＳ５)。ここで、磁束指令のステップ幅は、磁束指令の始めの３点は電機子電流絶対値iaの最小値を囲い込む３点を取り、かつ、次の更新で電機子電流絶対値iaの最小値を囲む３点の磁束指令の幅の減少が最大となるようなステップ幅を選択するものとする。このようなステップ幅の選択法としては放物線補間とBrentの方法(１次元)などが利用できる。

次に、このステップ幅を磁束指令の最小増分幅、すなわち磁束指令の収束誤差ｄΦと比較する(ステップＳ６)。もし、収束誤差ｄΦよりステップ幅ΔΦが大きい場合は、磁束指令Φ*_adjにステップ幅ΔΦを加えて更新・固定し(ステップＳ７)、再度Ｓ３〜Ｓ６のループをΔΦが収束誤差ｄΦ以内に収束するまで繰り返す。
収束完了後、トルク電流指令と磁束指令のペア(ｉδ*_ adj , Φ*_ adj )はトルク最大条件を満足するトルク電流指令と磁束指令のペア(ｉδ*_ opt ,Φ*_ opt )と等しくなる。このペアにより初期磁束指令発生器３４の数式またはテーブルデータを更新し(ステップＳ８)、トルク電流指令ｉδ*に対して更新された初期最適磁束指令Φ**_initを出力する(ステップＳ９)。

以上の説明より、同期機１のトルク最大条件を満たすトルク電流指令ｉδ*と磁束指令Φ*の関係が予めわからない場合でも、図１２または図１３のフローチャートの動作をする磁束指令調節器を付加することで学習的にトルク電流指令ｉδ*に対する最適磁束指令Φ**を求めることができる。
また、所望の性能を入力電力最小とおいた場合、図１２、１３のフローチャートにおいて、電機子電流iaの代わりに三相ドライブ回路２のDCリンク電圧VdcとDC電流Idcの積、すなわち、DC電力Pdcを最小とするように変更すれば、同一電機子電流絶対値iaに対して入力電力が最小になるトルク電流指令ｉδ*と最適磁束指令Φ**の点が得られる。
なお、DCリンク電圧Vdcが安定している場合は、DC電流Idcを最小とするように変更してもよいことは勿論である。

以上のように、この発明においては、
トルク電流指令発生器の上段に、磁束指令に基づき出力可能なトルク指令最大値を発生するトルク制限発生器、およびトルク指令最大値に基づきトルク指令に制限を加えるリミッタを備え、トルク電流指令発生器は、このリミッタで制限されたトルク指令に基づきトルク電流指令を演算するようにしたので、トルク指令を制限する必要がある場合も、円滑な同期機制御が可能となる。

また、磁束指令発生器は、同期機の回転速度帰還値を入力し、電機子電圧が電力変換器の電圧制限を超えないよう回転速度帰還値と電圧制限値とに基づき発生可能な磁束指令最大値を発生する磁束制限発生器、および磁束指令最大値に基づき磁束指令に制限を加えるリミッタを備えたので、電力変換器の電圧制限内で所望の磁束指令が確実に作成される。

また、直流電圧指令に基づき電力変換器に直流電圧を供給する可変電圧電源を備え、磁束指令発生器は、同期機の回転速度帰還値を入力し、磁束指令に回転速度帰還値を乗算して可変電圧電源に出力する直流電圧指令を発生する乗算器、可変電圧電源から入力した直流電圧帰還値を回転速度帰還値で除算して発生可能な磁束指令最大値を発生する除算器、および磁束指令最大値に基づき磁束指令に制限を加えるリミッタを備えたので、直流電圧を可変とする利点を支障なく享受することができる。

また、除算器は、直流電圧帰還値に替えて直流電圧指令を入力するようにしたので、その分、制御の構成が簡便となる。

また、直流電圧指令に基づき電力変換器に直流電圧を供給する可変電圧電源を備え、磁束指令発生器は、同期機の回転速度帰還値を入力し、可変電圧電源から入力した直流電圧帰還値を回転速度帰還値で除算して発生可能な磁束指令最大値を発生する除算器、および磁束指令最大値に基づき磁束指令に制限を加えるリミッタを備えたので、直流電圧を可変とする利点を支障なく享受することができる。

また、トルク電流指令発生器は、磁化電流指令に替えて電機子電流帰還値の磁化成分である磁化電流帰還値を入力するようにしたので、制御動作が安定迅速になる。

また、トルク電流指令発生器は、磁束指令に替えて電機子鎖交磁束を入力するようにしたので、制御動作が安定迅速になる。

また、磁束指令発生器は、トルク電流指令に替えて電機子電流帰還値のトルク成分であるトルク電流帰還値を入力するようにしたので、制御動作が安定迅速になる。

また、磁束指令発生器は、電機子電流絶対値一定でトルクを最大とする条件下で決定されるトルク電流と電機子鎖交磁束との関係に基づき磁束指令を演算するようにしたので、与えられた条件下で、トルクを最大にできるという有用な同期機制御が実現する。

また、磁束指令発生器は、トルク指令一定で電機子電流絶対値または入力電力を最小とする条件下で決定されるトルク電流と電機子鎖交磁束との関係に基づき磁束指令を出力するよう、トルク電流と電機子鎖交磁束との関係を学習的に演算するようにしたので、同期機の運転特性が予め分からない場合や、解析で得られた特性が実機の特性と異なるような場合にも、与えられた条件下で、電機子電流絶対値または入力電力を最小にできるという有用な同期機制御が実現する。

この発明の実施の形態１における同期機制御装置を示す構成図である。 トルク電流指令発生器９の内部構成を示す図である。 磁束指令発生器１０の内部構成を示す図である。 電機子電流のトルクとの関係を説明する図である。 トルク最大状態でのモータのベクトル図である。 磁束演算器５の内部構成を示す図である。 磁束演算器５の内部構成を示す、図６とは異なる図である。 この発明の実施の形態２における同期機制御装置を示す構成図である。 磁束指令発生器１０ａの内部構成を示す図である。 この発明の実施の形態３における同期機制御装置の、特に、トルク電流指令発生器９の内部構成を示す図である。 この発明の実施の形態４における同期機制御装置の、特に、最適磁束指令演算器１７の内部構成を示す図である。 図１１の最適磁束指令演算器１７の動作を説明するためのフローチャートである。 図１１の最適磁束指令演算器１７の、図１２とは異なる動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 同期機、２ 三相ドライブ回路、３ 電流センサ、４ 回転子位置センサ、
５ 磁束演算器、６ 電機子電流制御器、９ トルク電流指令発生器、
１０，１０ａ 磁束指令発生器、１３ 磁束制御器、１４ トルク電流制限発生器、
１５ トルク電流演算器、１６ リミッタ、１７ 最適磁束指令演算器、
１８ 磁束制限発生器、１９ リミッタ、２１ 電流型磁束演算器、
２４ 電圧型磁束演算器、２６ 可変電圧電源、２７ 乗算器、２８ 除算器、
２９ リミッタ、３２ トルク制限発生器、３３ リミッタ、３４ 初期磁束指令発生器、３５ 磁束指令発生器。

Claims (11)

1. トルク指令から電機子電流指令を発生し該電機子電流指令に基づき電力変換器により同期機の電機子電流を制御する同期機制御装置であって、
   上記トルク指令と磁束指令とから上記電機子電流指令のトルク成分であるトルク電流指令を演算するトルク電流演算器と上記電機子電流が上記電力変換器の電流制限値を越えないよう上記電機子電流指令の磁化成分である磁化電流指令と上記電流制限値とに基づき発生可能なトルク電流指令最大値を発生するトルク電流制限発生器と上記トルク電流指令最大値に基づき上記トルク電流指令に制限を加えるリミッタとからなるトルク電流指令発生器、このトルク電流指令発生器からのトルク電流指令に基づき磁束指令を演算する磁束指令発生器、上記同期機の電機子電流または電機子電流および電機子電圧に基づき電機子鎖交磁束を演算する磁束演算器、および上記磁束指令と上記電機子鎖交磁束とが一致するように上記磁化電流指令を作成して上記トルク電流指令発生器に入力する磁束制御器を備えた同期機制御装置。
2. 上記トルク電流指令発生器の上段に、上記磁束指令に基づき出力可能なトルク指令最大値を発生するトルク制限発生器、および上記トルク指令最大値に基づき上記トルク指令に制限を加えるリミッタを備え、上記トルク電流指令発生器は、上記リミッタで制限されたトルク指令に基づきトルク電流指令を演算するようにしたことを特徴とする請求項１記載の同期機制御装置。
3. 上記磁束指令発生器は、上記同期機の回転速度帰還値を入力し、上記電機子電圧が上記電力変換器の電圧制限を超えないよう上記回転速度帰還値と上記電圧制限値とに基づき発生可能な磁束指令最大値を発生する磁束制限発生器、および上記磁束指令最大値に基づき上記磁束指令に制限を加えるリミッタを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の同期機制御装置。
4. 直流電圧指令に基づき上記電力変換器に直流電圧を供給する可変電圧電源を備え、
   上記磁束指令発生器は、上記同期機の回転速度帰還値を入力し、上記磁束指令に上記回転速度帰還値を乗算して上記可変電圧電源に出力する上記直流電圧指令を発生する乗算器、上記可変電圧電源から入力した直流電圧帰還値を上記回転速度帰還値で除算して発生可能な磁束指令最大値を発生する除算器、および上記磁束指令最大値に基づき上記磁束指令に制限を加えるリミッタを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の同期機制御装置。
5. 上記除算器は、上記直流電圧帰還値に替えて上記直流電圧指令を入力するようにしたことを特徴とする請求項４記載の同期機制御装置。
6. 直流電圧指令に基づき上記電力変換器に直流電圧を供給する可変電圧電源を備え、
   上記磁束指令発生器は、上記同期機の回転速度帰還値を入力し、上記可変電圧電源から入力した直流電圧帰還値を上記回転速度帰還値で除算して発生可能な磁束指令最大値を発生する除算器、および上記磁束指令最大値に基づき上記磁束指令に制限を加えるリミッタを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の同期機制御装置。
7. 上記トルク電流指令発生器は、上記磁化電流指令に替えて上記電機子電流帰還値の磁化成分である磁化電流帰還値を入力するようにしたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の同期機制御装置。
8. 上記トルク電流指令発生器は、上記磁束指令に替えて上記電機子鎖交磁束を入力するようにしたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の同期機制御装置。
9. 上記磁束指令発生器は、上記トルク電流指令に替えて上記電機子電流帰還値のトルク成分であるトルク電流帰還値を入力するようにしたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の同期機制御装置。
10. 上記磁束指令発生器は、上記電機子電流絶対値一定でトルクを最大とする条件下で決定されるトルク電流と電機子鎖交磁束との関係に基づき上記磁束指令を演算するようにしたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の同期機制御装置。
11. 上記磁束指令発生器は、上記トルク指令一定で電機子電流絶対値または入力電力を最小とする条件下で決定されるトルク電流と電機子鎖交磁束との関係に基づき上記磁束指令を出力するよう、上記トルク電流と電機子鎖交磁束との関係を学習的に演算するようにしたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の同期機制御装置。

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